
- •Содержание
- •Общие требования к составлению отчета по лабораторным работам
- •Название лабораторной работы
- •Экспериментальная часть
- •1.1. Ход и данные опыта
- •1.2. Расчет и анализ данных, или анализ результатов наблюдений
- •1.3. Выводы
- •1.4. Ответы на контрольные вопросы
- •Правила построения графиков
- •1.1. Теоретическая часть
- •1.1.1 Скорость физико-химических процессов
- •Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ
- •Зависимость скорости реакции от температуры
- •1.1.2 Равновесие в физико-химических процессах
- •Влияние изменения внешних условий на положение химического равновесия. Принцип Ле Шателье
- •1.2. Экспериментальная часть
- •1.2.1. Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ
- •1.2.2. Зависимость скорости реакции от температуры
- •1.2.3. Зависимость скорости гетерогенной реакции от величины поверхности реагирующих веществ
- •1.2.4. Влияние концентрации реагирующих веществ на состояние равновесия
- •1.2.5. Влияние температуры на состояние равновесия
- •1.3. Контрольные вопросы
- •Литература
- •Лабораторная работа №2 электролиты. Реакции в растворах электролитов
- •2.1. Теоретическая часть
- •Общая характеристика растворов электролитов
- •Способы выражения концентрации растворов
- •2.1.2. Количественные характеристики процессов диссоциации Степень диссоциации. Сильные и слабые электролиты
- •Растворы сильных электролитов
- •Равновесие в растворах слабых электролитов
- •2.1.3. Ионное произведение воды. Водородный показатель
- •2.1.4. Обменные реакции в растворах электролитов. Гидролиз солей
- •2.2. Экспериментальная часть
- •2.2.1. Сильные и слабые электролиты. Зависимость степени диссоциации от природы электролита
- •2.2.2. Смещение равновесия диссоциации слабого электролита
- •Влияние введения одноименных ионов на степень диссоциации слабых электролитов
- •2.2.3. Гидролиз солей. Образование кислых и основных солей при ступенчатом гидролизе
- •2.2.4. Влияние температуры на степень гидролиза солей
- •2.3. Контрольные вопросы
- •Литература
- •Лабораторная работа №3 электрохимические процессы и явления
- •3.1. Теоретическая часть
- •3.1.1 Электродные потенциалы
- •Металлические электроды
- •Водородный электрод
- •Кислородный электрод
- •3.1.2 Гальванические элементы
- •3.1.3 Явление поляризации в гальванических элементах
- •3.1.4 Процессы электролиза
- •Катодные процессы
- •Анодные процессы
- •3.2. Экспериментальная часть
- •3.2.1 Установить химическую активность металлов в водных растворах электролитов и их положение в электрохимическом ряду активностей
- •3.2.2 Определение стандартной эдс химического гальванического элемента
- •3.2.3 Электролиз растворов солей на инертных электродах
- •Электролиз сульфата меди
- •Электролиз хлорида натрия
- •Электролиз иодида калия
- •3.3. Контрольные вопросы
- •Литература
- •Лабораторная работа №4 электрохимическая коррозия и методы защиты от коррозии
- •4.1. Теоретическая часть
- •Условия самопроизвольного протекания коррозии:
- •4.2. Экспериментальная часть
- •4.2.1 Коррозия, возникающая при контакте двух металлов, различных по природе
- •4.2.2 Коррозия, возникающая при образовании микрогальванопар
- •4.2.3 Активирующее действие ионов ci на процессы коррозии
- •4.2.4 Анодные и катодные защитные покрытия
- •4.2.5 Протекторная защита
- •4.2.6 Катодная защита (электрозащита)
- •4.3. Контрольные вопросы
- •Литература
- •Т приложениЕаблица п.1
- •220013, Минск, п. Бровки, 6
3.1.3 Явление поляризации в гальванических элементах
ЭДС работающего гальванического элемента всегда меньше теоретически рассчитанной. Это обусловлено поляризацией электродов – явление смещения величин электродных потенциалов от их равновесных значений.
В
элементе Даниэля – Якоби окисление
анода приводит к увеличению концентрации
ионов
в приэлектродном слое. Потенциал анода
увеличивается. У медного катода
концентрация ионов
уменьшается, что приводит к снижению
потенциала катода. Изменение потенциала
электрода по сравнению с равновесным
значением, вызванное изменением
концентрации потенциалопределяющих
ионов в растворе, называетсяконцентрационной
поляризацией.
Замкнутая электрохимическая система из двух электродов в одном и том же электролите называется химическим гальваническим элементом типа Вольта.
Элемент Вольта состоит из медного и цинкового электродов в растворе серной кислоты. Схема его записывается в виде
А(–)
К(+)
;
;
.
Первоначальное значение ЭДС равно контактной разности стандартных потенциалов цинкового и медного электродов, т.е. 1,1 В
Потенциал анода увеличивается за счет возрастания в растворе концентрации ионов при окислении анода. Анод поляризуется концентрационно. В то же время поверхность медного катода насыщается водородом, образуется «водородный электрод» и ЭДС элемента падает до минимального значения:
(
).
Поляризация, вызванная изменением химической природы электрода, называется химической.
Для уменьшения поляризации используется физическая деполяризация: перемешивание раствора, механическое удаление газа; а также химические деполяризаторы: вещества, вступающие в реакцию с продуктами, обусловливающими поляризацию. Например, химическая поляризация, вызванная выделением водорода, снижается под действием сильных окислителей (K2Cr2O7, MnO2, O2 и др.). Так, в элементе Вольта при добавлении в катодное пространство K2Cr2O7 протекает окислительно-восстановительная реакция
K2Cr2O7 + 4 H2SO4 + 3 H2 = Cr2(SO4)3 + K2SO4 + 7 H2O,
в ионной форме
в результате водород окисляется и выводится из сферы электродной реакции, что приводит к увеличению ЭДС.
3.1.4 Процессы электролиза
Простейшая электролизная системасостоит из электролизера (электролитическая ванна), электродов (инертных или активных), электролита (раствора или расплава), источника постоянного тока.Электрод, подключенный к отрицательному полюсу источника тока – катод, к положительному – анод.
Количественные характеристики процессов электролиза устанавливаются законами Фарадея.
1-й закон Фарадея –массы (объемы) веществ, претерпевших изменения на электродах, прямо пропорциональны количеству прошедшего электричества:
|
(3.13) |
где k – коэффициент пропорциональности, при этом k = m, если Q =1 Кл;m (V) – массы (объемы) веществ, претерпевших превращения, г (л);I – сила тока, А; τ – время прохождения тока, с.
2-й закон Фарадея – одинаковые количества электричества преобразуют эквивалентные количества веществ:
|
(3.14) |
где
и
,
– эквивалентные массы и эквивалентные
объемы (н.у.) веществ,
претерпевших превращения.
Примечание. Для вычисления эквивалентных объемов газообразных веществ необходимо сравнить их мольную и эквивалентную массы. Во сколько раз эквивалентная масса меньше мольной, во столько раз эквивалентный объем меньше мольного объема (22,4 л). Эквивалентный объем водорода равен 11,2 л, эквивалентный объем кислорода равен 5,6 л.
Из второго закона Фарадея следует, что
при Q = F =
96 500 Кл ,m = Э
или,
тогда
|
(3.15) |
где k – электрохимический эквивалент вещества, г/Кл или л/Кл.
Отсюда можно записать уравнение, объединяющее 1-й и 2-й законы Фарадея:
|
(3.16) |
Следует заметить, что количества веществ, полученных практически, всегда меньше рассчитанных, что численно характеризуется величиной выхода по току (ВТ), при этомВТ < 1.
|
(3.17) |
С учетом выхода по току (ВТ) уравнения (3.16) примут вид
|
(3.18) |
Снижение выхода по току обусловлено
различными причинами, важнейшими из
которых являются поляризация и
перенапряжение при прохождении тока.Накопление продуктов электролиза на
электродах изменяет их природу и величину
электродных потенциалов (химическая
поляризация). При этом в электролизере
возникаетвнутренний гальванический
элемент,ЭДС которого направлена
встречно внешней ЭДС и называетсяЭДС
поляризации (Еполяр). Для
преодоления поляризации на электроды
извне подается избыточное напряжение,
называемоеперенапряжением (и
).
Численное значение
зависит от природы выделяемых на
электродах веществ, природы электродов,
состояния их поверхности, плотности
тока (i = I / S,
A/см2 ) и других факторов. При этом
,
отсюда ЭДС разложения электролита
будет равна
|
(3.19) |
Таким образом, характер и скорость процессов электролиза зависят:
1) от активности частиц в электролите, численно определяемой величиной потенциала. Чем больше значение φ, тем быстрее идет процесс восстановления на катоде; чем меньше φ, тем быстрее идет процесс окисления на аноде;
2) от концентрации частиц в электролите;
3) от величины перенапряжения,
,
В.
Названные факторы позволяют сформулировать правила электролиза.